M_Vozobnovl_energ_v_dets_elsnab

Лукутин Б.В. , Суржикова О.А. , Шандарова Е.Б.

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА В ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ

Монография

Москва

Энергоатомиздат

2008

Предисловие

Современное развитие энергетики в России характеризуется ростом стоимости производства энергии. Наибольшее увеличение стоимости энергии наблюдается в удаленных районах Сибири и Дальнего Востока России, Камчатки, Курильских островов, где в основном используются децентрализованные системы электроснабжения на базе дизельных электростанций, работающих на привозном топливе. Совокупная стоимость электроэнергии в этих районах часто превышает мировой уровень цен и достигает 0,25 и более долларов США за 1 кВт·ч.

Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно решают сегодня проблемы энергообеспечения на основе развития возобновляемой энергетики. Для интенсификации практического использования возобновляемых энергоресурсов в этих странах законодательно устанавливаются различные льготы для производителей «зеленой» энергии. Однако решающий успех возобновляемой энергетики определяется в конечном счете ее эффективностью в сравнении с другими более традиционными на сегодня энергоустановками топливной энергетики. Развитие технической и законодательной базы возобновляемой энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливноэнергетических ресурсов уже сегодня определяют техникоэкономические преимущества электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляемой энергетики и увеличивая ее вклад в мировой энергетический баланс.

Вкниге даны научно-технические основы использования возобновляемых источников энергии и показаны возможности их использования для производства электроэнергии в локальных системах электроснабжения.

Книга включает шесть разделов: 1) возобновляемые энергоресурсы территории и условия их использования для генерирования электроэнергии; 2) состояние и перспективы развития возобновляемой энергетики; 3) электростанции, использующие энергию ветра; 4) малая гидроэнергетика в децентрализованном электроснабжении; 5) геотермальные

исолнечные электростанции; 6) электростанции, использующие химическую энергию биомассы.

Впервой главе приведена классификация возобновляемых источников энергии и определены их энергетические характеристики для производства электрической энергии. Анализ энергетических характе-

3

ристик произведен с использованием фактических данных территории Томской области.

Вторая глава посвящена обзору материалов по развитию возобновляемой энергетики в мире и в России. В этой же главе показаны экономические условия производства электроэнергии с использованием возобновляемых энергоресурсов.

Втретьей главе рассмотрены ветроэлектростанции и их энергетические характеристики. Показаны способы повышения энергоэффективности рабочих режимов и дана методика оценки техникоэкономических характеристик автономных ветроэлектростанций. Даны рекомендации по созданию локальных систем электроснабжения с участием ветроэлектростанций.

Вчетвертой главе описаны наиболее распространенные типы микрогидроэлектростанций автобалластного типа, дан анализ их режимов работы, рекомендации по разработке машинно-вентильных источников электроэнергии для таких станций и приведена методика техни- ко-экономического анализа их характеристик.

Впятой главе дано описание принципов построения и конструктивных особенностей геотермальных и солнечных электростанций. Показаны особенности их применения для децентрализованного электроснабжения. Приведены технико-экономические характеристики этих энергоустановок.

Шестая глава посвящена возможностям преобразования химической энергии биомассы в электроэнергию. Приведены техникоэкономические характеристики автономных электростанций, использующих биотопливо.

4

Глава 1. Возобновляемые энергоресурсы территории и условия их использования для генерирования электроэнергии

1.1.Классификация возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоцентров растительного и животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ является их неистощаемость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время – в пределах срока жизни одного поколения людей.

Почти 30 лет назад Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии с резолюцией 33/148 (1978г.) введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», в которое включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия [1].

Чаще всего к возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

–механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

–тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);

–химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

Если использовать понятие качества энергии – коэффициент полезного действия, определяющий долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу, то ВИЭ можно классифицировать следующим образом: возобновляемые источники механической энергии характеризуются высоким качеством и используются в основном для производства электроэнергии. Так, качество гидроэнергии характеризуется значением 0,6-0,7; ветровой – 0,3-0,4. Качество тепловых и лучистых ВИЭ не превышает 0,3-0,35. Еще ниже показатель качества солнечного излучения, используемого для фотоэлектрического преобразования, – 0,15-0,3. Качество энергии биотоплива также относительно низкое и, как правило, не превышает 0,3.

Энергетический потенциал ВИЭ может оцениваться различными значениями в зависимости от степени учета технико-экономических аспектов применения возобновляемой энергетики. С этих позиций приня-

5

то выделять валовый потенциал ВИЭ, технический потенциал ВИЭ и экономический.

Валовый потенциал – это количество энергии, заключенное в данном виде энергоресурса, при условии ее полного полезного использования. Технический потенциал – это часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию целесообразно при соответствующем уровне развития технических средств. Экономический потенциал ВИЭ – часть технического потенциала, который экономически целесообразно преобразовывать в полезную энергию при конкретных экономических условиях.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. Основными преимуществами ВИЭ по сравнению с энергоисточниками на органическом топливе являются практическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных веществ в окружающую среду. Однако они, как правило, более капиталоемки, и их доля в общем энергопроизводстве пока невелика (за исключением гидроэлектростанций). Согласно большинству прогнозов, эта доля останется умеренной и в ближайшие годы. Вместе с тем во многих странах мира возрастает интерес к разработке и внедрению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Это объясняется несколькими причинами.

Во-первых, ВИЭ, уступая традиционным энергоисточникам при крупномасштабном производстве энергии, уже в настоящее время при определенных условиях эффективны в малых автономных энергосистемах, являясь более экономичными (по сравнению с энергоисточниками, использующими дорогое привозное органическое топливо) и экологически чистыми.

Во-вторых, применение даже более дорогих, по сравнению с традиционными энергоисточниками, ВИЭ может оказаться целесообразным по другим, неэкономическим (экологическим или социальным) критериям. В частности, применение ВИЭ в малых автономных энергосистемах или у отдельных потребителей может существенно повысить качество жизни населения.

В-третьих, в более отдаленной перспективе роль ВИЭ может существенно возрасти и в глобальном масштабе. В ряде стран и международных организаций проводятся исследования долгосрочных перспектив развития энергетики мира и его регионов. Интерес к этой проблеме обусловлен определяющей ролью энергетики в обеспечении эко-

6

номического роста, ее существенным и все возрастающим негативным воздействием на окружающую среду, а также ограниченностью запасов топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим, в будущем неизбежна кардинальная перестройка структуры энергетики с переходом к использованию экологически чистых и возобновляемых источников энергии. Мировым сообществом признана необходимость перехода к устойчивому развитию, предполагающему поиск стратегии, обеспечивающей, с одной стороны – экономический рост и повышение уровня жизни людей, особенно в развивающихся странах, с другой – снижение негативного влияния деятельности человека на окружающую среду до безопасного предела, позволяющего избежать в долгосрочной перспективе катастрофических последствий. В переходе к устойчивому развитию важная роль будет принадлежать новым энергетическим технологиям и источникам энергии, в том числе ВИЭ.

Оценим грубо потенциальные возможности источников возобновляемой энергии, предполагая, что при рациональном её использовании для создания комфортных условий жизни требуется в среднем 2 кВт на человека. С каждого квадратного метра земной поверхности можно получать, используя различные ВИЭ, в среднем 500 Вт мощности. Если считать, что эффективность преобразования этой энергии в удобную для потребления форму всего 4%, то для мощности 2 кВт требуется площадь 100 м2. Средняя плотность населения в городах с учетом пригородной зоны примерно 500 человек на 1 км2. Для обеспечения их энергией из расчета 2 кВт на человека необходимо с 1 км2 снимать

7

1000 кВт, т.е. достаточно занять всего 5% площади. Таким образом, ВИЭ могут вполне обеспечить удовлетворительный уровень жизни, если будут найдены приемлемые по стоимости методы её преобразования, с учетом ресурсного потенциала. Общие ресурсы ВИЭ в мире и России приведены в таблице 1 [2,5]. Однако, вклад этих источников в мировой энергетический баланс в настоящее время достаточно скромен.

К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ, следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоносителя приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоустановок, а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах аккумулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.

Повышение энергетической эффективности установок, использующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями, предусматривающими как улучшение техникоэкономических характеристик собственно энергетического оборудования, так и оптимизацию его энергетических балансов и режимов с учетом изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника. С точки зрения процесса энергопреобразования первичного энергоносителя в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику следует разделять на автономную и связанную с электроэнергетической системой относительно большой мощности. В первом случае энергобаланс децентрализованной системы электроснабжения определяется соотношением графика электрических нагрузок системы и изменением энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса.

Указанные обстоятельства вызывают необходимость согласования энергоустановок возобновляемой энергетики с потребителем. В процессе согласования должны решаться следующие задачи.

1.Обеспечение максимально эффективного использования возобновляемого энергоресурса.

2.Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, что, в большинстве случаев, требует включения в энергосистему накопителей энергии.

3.Управление режимами работы преобразователей энергии, регулирование параметров генерируемой электроэнергии.

Для решения указанных задач используются различные схемные решения энергоустановок.

8

1. Система со сбросом излишков энергии (рис. 1). Данный способ согласования мощностей возобновляемых энергоисточников и потребителей отличается максимальной простотой и заключается в использовании части потенциала первичного энергоносителя, необходимой для энергообеспечения текущего значения нагрузки потребителя. Оставшаяся энергия возобновляемого источника не используется. Системы энергообеспечения такого типа широко применяются в конструкциях гидроэлектростанций, ветроэлектростанций с изменяемым шагом ветротурбин, в системах солнечного обогрева с управляемыми заслонками и др.

5

6

Рис.1. Схемы согласования возобновляемых источников энергии с потребителями: а) система со сбросом энергии; б) система с накопителем энергии; в) система с регулируемой нагрузкой. 1 – ВИЭ; 2 – преобразователь энергии; 3 - потребитель;

4 – сброс в окружающую среду; 5 – накопитель; 6 – регулятор

2. Системы с накопителями энергии. Излишки энергии первичного энергоносителя, по отношению к текущему значению полезной нагрузки, могут аккумулироваться и, в свою очередь, питать нагрузку в периоды недостатка потенциала возобновляемого энергоресурса. В качестве накопителей энергии могут использоваться различные устройства: гидроаккумулирующие системы, маховики, аккумуляторные батареи и др. Данные системы более эффективно используют первичный энергоресурс и широко применяются практически во всех типах энергоустановок возобновляемой энергетики.

9

3. Системы с регулированием нагрузки. Такие системы обеспечивают полное использование первичного энергоресурса за счет управления текущей мощностью нагрузки. Регулирование нагрузок обычно осуществляется автоматически с помощью полупроводниковых автобалластных систем. В качестве балластных нагрузок низкого приоритета применяются нагревательные устройства.

Следует отметить, что кроме максимального использования первичного энергоресурса подобные системы позволяют эффективно управлять режимом первичного преобразователя энергии и, в ряде случаев, параметрами выходного напряжения.

Сетевые электростанции, использующие возобновленные энергоресурсы, не требуют устройств аккумулирования и резервирования электроэнергии. Мощная электрическая система способна полностью принять всю энергию, вырабатываемую электростанцией. Кроме того, энергосистема способна эффективно влиять на режим станции, работающей синхронно с сетью. Отмеченные особенности несколько упрощают и удешевляют конструкцию сетевых установок возобновляемой энергетики по сравнению с автономными электростанциями. Увеличение суммарной мощности установок возобновляемой энергетики по отношению к мощности энергосистемы приводит к необходимости решения некоторых проблем, характерных для энергобалансов автономных систем. В частности, приходится решать проблему перераспределения мощностей между топливными электростанциями и электростанциями на ВИЭ с целью энергообеспечения потребителей при минимальном расходе топлива. Такие проблемы успешно решаются в некоторых странах – лидерах в практическом использовании возобновляемой энергетики, например в Германии.

Интенсивные работы по совершенствованию техникоэкономических характеристик энергоустановок и комплексов на основе возобновляемых источников энергии, проводимые во многих странах, определили впечатляющую динамику снижения затрат на производство «зеленой» электроэнергии.

Динамика стоимости электроэнергии, получаемой от традиционных и возобновляемых энергоресурсов, а также удельные капиталовложения в традиционные и нетрадиционные электростанции (1980/2000 гг.) показаны в таблице 2 [13].

В частности: с 1980 г. по 1990 г. удельные стоимости за 1 кВт установленной мощности и 1 кВт·ч вырабатываемой энергии снизились с 50000$ до 20000$ и с 1,5$ до 0,35$ на солнечных электростанциях и с 3000$ до 1750$ и с 0,25$ до 0,07$ на ветровых электростанциях [6-8], что определило их конкурентоспособность с традиционной энергети-

10